基于校准k-ε模型的复杂地形流动数值模拟研究

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在风电场的微观选址中,首先要根据风电场内的流动情况计算风资源,然后根据计算结果合理布置风电机组。复杂地形下风电场内部气流流动复杂,预测困难。计算流体力学(CFD)模拟是当前复杂地形风电场内部流动预测的主要方法。影响复杂地形流动CFD模拟结果的因素有很多,包括入口边界条件的选择,地面粗糙度和壁面方程的设置,湍流模型及模型参数的选取,以及添加合适的源项等。当前已开展的复杂地形流动CFD模拟研究大多数仅研究了个别影响因素对复杂地形绕流的影响,未考虑多因素作用下对复杂地形整体模拟效果的提升。本论文中,基于标准k-ε模型,对复杂地形下流动CFD模拟方法进行研究。首先,以平板地形为例,研究了入口条件给法、地表粗糙度和湍流参数对大气边界层模拟的影响,得到平板地形下模拟充分发展的大气边界层的最佳方案。在此基础上,以典型山丘地为例,对复杂地形流动的CFD模拟方法进行改进。最后将得到的改进方法运用到真实复杂地形流动模拟中,并研究通过添加源项的方法提高数值模拟的准确度。研究结果显示近壁面第一层网格高度和边界层内网格数目对数值模拟有很大影响,需要合理设置。平板地形下采用修改后的壁面方程、合适的湍流模型参数和Richards模型入口条件可以提高模拟精度。典型山丘地型模拟的关键在于合理地预测山后的流动分离。标准k-ε湍流模型下,不同入口条件对流动分离的预测或大或小,只有加以合适的源项,才能更准确地模拟带分离流动的典型山丘地型。真实复杂地形下流动会随着地表条件而变化,同时根据实际测风数据选择合适的源项也可以提高数值模拟的精度。根据本文的研究结果,在复杂地形的微观选址中,不仅要考虑地形、盛行风向的影响,还要针对影响复杂地形流动的因素开展研究。本文得到的结论对实际复杂地形风资源计算以及风电场微观选址具有一定的指导意义。
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